способ рафинирования рельсовой стали в печь-ковше

Формула изобретения

Способ рафинирования рельсовой стали, включающий дуговой подогрев металла, продувку расплава инертным газом через пористые донные фурмы и обработку металла шлаком на агрегате печь-ковш и вакууматоре, отличающийся тем, что дуговой подогрев металла осуществляют на агрегате печь-ковш до температуры 1600-1630°С при продувке через пористые донные фурмы азотом с расходом 0,040-0,300 м ³/т жидкой стали и интенсивностью 5-30 м³/ч в течение 30-70 мин, металл раскисляют силикокальцием с расходом до 60 кг кальция на тонну жидкой стали и проводят вакуумирование при продувке стали в ковше азотом через пористые донные фурмы с расходом 5-40 м³/ч в течение 10-40 мин под вакуумом при давлении менее 0,3 Торр, после чего сталь продувают азотом с расходом 5-25 м³/ч в течение 5-25 мин до температуры 1515-1550°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам внепечной обработки рельсовой стали на агрегатах печь-ковш.

Известен выбранный в качестве прототипа способ рафинирования рельсовой стали в печь-ковше, включающий дуговой подогрев металла, продувку расплава аргоном и обработку металла шлаком, при котором дуговой подогрев металла ведут с интенсивностью не менее 40 кВт·ч/т жидкой стали, продувку металла аргоном проводят через пористые донные фурмы с расходом 15-30 м³/т жидкой стали в течение не менее 40 мин, при этом обеспечивают содержание FeO в шлаке не более 0,5% раскислением шлака порошком кокса и дробленого ферросилиция с расходом каждого 0,5-1,5 кг/т жидкой стали, а раскисление стали проводят дополнительно силикокальцием, из расчета введения 250-300 г кальция на тонну жидкой стали, причем силикокальций присаживается в два приема равными порциями после раскисления шлака и за 5-10 минут до окончания обработки стали [1].

Существенными недостатками данного способа являются:

- пониженный уровень физико-механических свойств в связи с повышенной загрязненностью кальцийсодержащими неметаллическими включениями, снижающими ударную вязкость и предел прочности стали;

- высокий расход силикокальция, увеличивающий загрязненность неметаллическими включениями;

- высокая себестоимость выплавляемой стали из-за использования аргона в качестве инертного газа.

Известен также способ получения рельсовой стали, включающий завалку в дуговую электросталеплавильную печь металлолома и извести, расплавление металлолома, заливку жидкого чугуна, окисление углерода газообразным кислородом, дефосфорацию, скачивание окислительного шлака через порог рабочего окна, последующий выпуск стали в ковш, присадку в ковш во время выпуска шлакообразующей смеси и ферросплавов, отличающийся тем, что сталь и шлак в печи не раскисляют, выпуск производят с отсечкой печного шлака с оставлением в печи 10-15% жидкого металла от массы плавки, присаживают в ковш на выпуске шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата в соотношении (0,8-1,2):(0,2-0,5) с расходом 10-17 кг/т стали, а также кремний- и марганецсодержащие ферросплавы из расчета введения в сталь до 0,15% кремния и до 0,75% марганца, далее сталь обрабатывают на агрегате типа печь-ковш введением в ковш последовательно до требуемых концентраций марганца, кремния, углерода, ванадия и кальция, причем при введении осуществляют продувку стали через донную пористую фурму азотом с расходом до 65 нм³/ч при общем количестве введенного газообразного азота не более 20 нм³ до содержания 0,020% азота, окончательную продувку проводят аргоном с расходом до 65 нм ³/ч [2].

Техническими недостатками данного способа являются:

- неоптимальный режим продувки стали в ковше, не обеспечивающий эффективное рафинирование стали, и в связи с этим снижение механических свойств стали из-за высокой концентрации в рельсовой стали оксидных неметаллических включений;

- низкое усвоение азота при продувке и получение различных значении ударной вязкости при прочем равном химическом составе.

Известен также способ выплавки рельсовой стали, включающий подачу в дуговую электросталеплавильную печь в качестве металлошихты металлолома и жидкого чугуна, расплавление, окислительный период, раскисление в печи стали алюминием и шлака порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия, выпуск плавки в ковш, присадку в ковш при выпуске твердой шлакообразующей смеси, состоящей из извести и плавикового шпата, отличающийся тем, что выплавку стали производят сериями, причем металлошихту первой плавки в серии дают массой на 10-15% больше массы металлошихты последующих плавок, а массу металлошихты последней плавки в серии уменьшают на 10-15%, окислительный период проводят до получения стали с содержанием углерода не менее 0,60% и температуры выше ликвидуса на 180-240°С; причем сталь раскисляют на всех плавках серии алюминием в количестве 0,07-0,10% от массы металлошихты, а раскисление шлака в печи порошком кокса, дробленого ферросилиция и гранулированного алюминия в количестве соответственно каждого 0,09-0,10% от массы металлошихты проводят на последней плавке в серии, при выпуске первой и последующих плавок отсекают печной шлак, а последнюю плавку выпускают с печным шлаком, при выпуске плавок в ковш присаживают твердую шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата при соотношении (1,0-1,5):(0,3-0,5) соответственно, в количестве 3-3,3% от массы жидкой стали и необходимые раскислители и легирующие [3].

Существенными недостатками данного способа выплавки являются:

- повышенный уровень концентрации кислорода в стали в связи с отсутствием вакуумной обработки;

- высокий расход азотированных ферросплавов, вводимых при выпуске стали в ковш из-за низкой концентрации азота в выплавляемой стали;

- низкие механические свойства рельсов из-за повышенного содержания кислорода, способствующего образованию оксидных неметаллических включений и нестабильной концентрации азота в стали, обеспечивающего карбонитридное упрочнение.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются: повышение физико-механических свойств стали за счет снижения загрязненности неметаллическими включениями, уменьшение расхода азотированных и кальцийсодержащих ферросплавов, снижение себестоимости выплавляемой стали.

Для этого предлагается способ рафинирования рельсовой стали, включающий дуговой подогрев металла, продувку расплава инертным газом через пористые донные фурмы и обработку металла шлаком на агрегате печь-ковш и вакууматоре, отличающийся тем, что дуговой подогрев металла на агрегате печь-ковш осуществляют до температуры 1600-1630°С при продувке через пористые донные фурмы азотом с расходом 0,040-0,300 м³/т жидкой стали и интенсивностью 5-30 м³ /ч в течение 30-70 мин, металл раскисляют силикокальцием с расходом до 60 г кальция на тонну жидкой стали и проводят вакуумирование при продувке стали в ковше азотом через пористые донные фурмы с расходом 5-40 м³/ч в течение 10-40 мин под вакуумом при давлении менее 0,3 Торр, после чего сталь продувают азотом с расходом 5-25 м³/ч в течение 5-25 мин до температуры 1515-1550°С.

Заявленные пределы подобраны экспериментальным путем.

Дуговой подогрев металла на агрегате печь-ковш до температуры 1600-1630°С выбран, исходя из следующих предпосылок. При нагреве стали на агрегате печь-ковш до температуры менее 1600°С дальнейшая обработка на вакууматоре, приводящая к снижению температуры, не позволит проводить разливку стали на МНЛЗ из-за низких температур, что потребует повторного нагрева на агрегате печь-ковш. При температуре более 1630°С температура после обработки на вакууматоре остается высокой для разливки стали на МНЛЗ, что требует дополнительной выдержки в ковше для охлаждения.

Продувка стали азотом через пористые фурмы с расходом 0,040-0,300 м³ /тонну и интенсивностью 5-30 м³/ч в течение 30-70 мин обеспечивает необходимую степень насыщения стали азотом и получение металла, усредненного по химическому составу и температуре. При снижении расхода менее 0,040 м³/т жидкой стали и интенсивности менее 5 м³/ч не обеспечивается необходимое перемешивание стали, приводящее к неравномерному распределению температуры и химического состава по высоте ковша. При повышении расхода более 0,300 м³/т и интенсивности продувки более 30 м³/ч обработка стали затрудняется в связи с выплесками металла и шлака из ковша.

Длительность обработки менее 30 минут является недостаточной для нагрева металла до заданной температуры и присадки всех легирующих материалов для корректировки химического состава, продолжительность обработки более 70 мин увеличивает непроизводительные затраты и загрязненность стали неметаллическими включениями.

С целью модифицирования стали и снижения загрязненности неметаллическими включениями сталь раскисляют силикокальцием с расходом до 60 г кальция на тонну стали. Расход силикокальция более 60 г кальция на тонну стали приводит к повышению загрязненности неметаллическими включениями, снижению механических свойств готового проката.

Для успешной дегазации обработку стали на вакууматоре производят при давлении менее 0,3 Торр. Причем интенсивность продувки азотом под вакуумом менее 5 м³/ч значительно увеличивает длительность обработки на вакууматоре, при этом насыщение стали азотом незначительно. При продувке через пористые донные фурмы азотом с интенсивностью более 40 м³/ч наблюдаются значительные технологические выплески металла и шлака из ковша в камеру вакууматора, что приводит к аварийным режимам работы. Продолжительность обработки под вакуумом выбрана, исходя из условий: при обработке менее 10 мин не удается провести требуемую дегазацию стали, продолжительность обработки более 40 мин не требуется в связи с достижением требуемых значений содержания газов.

При последующей продувке стали азотом с расходом 5-25 м³/ч в течение 5-15 мин обеспечивается получение требуемой температуры и концентрации азота в металле. При интенсивности продувки азотом менее 5 м³/ч наблюдалось слабое перемешивание металла в ковше, увеличивающее длительность обработки для достижения требуемой температуры металла.

Продувка азотом с интенсивностью более 25 м³/ч приводит к значительному оголению «зеркала» металла и повторному насыщению стали кислородом и водородом.

Продолжительность обработки после вакуумной дегазации выбрана, исходя из условий: при обработке менее 5 мин при заявленном расходе азота температура стали получается высокой, продолжительность обработки более 25 мин приводит к насыщению стали азотом выше требуемых значений.

При температуре металла менее 1515°С температура металла в промковше получается низкой, что требует увеличения скорости разливки и приводит к браку непрерывнолитых заготовок. При температуре выше 1550°С температура разливки стали на МНЛЗ получается высокой, что приводит к браку макроструктуры по «осевой рыхлости».

Заявляемый способ рафинирования рельсовой стали был реализован при производстве рельсовой стали марок Э76Ф, НЭ76Ф с выплавкой в дуговых 100-тонных электропечах, обработкой на агрегате печь-ковш и вакууматоре камерного типа VD. После расплавления и проведения окислительного периода в дуговой электросталеплавильной печи плавка выпускалась с отсечкой печного шлака в ковш. При выпуске стали в ковш присаживали необходимые ферросилиций ФС65 и силикомарганец МнС17 и твердую шлаковую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата. В ковш наливали 90-120 т стали. Доводка стали проводилась на агрегатах печь-ковш с трансформатором 16 МВА и 22 МВА. Обработку стали проводили по следующей схеме. Дуговой нагрев металла на агрегате печь-ковш проводили до температуры 1600-1630°С, продувку стали проводили азотом через пористые донные фурмы с расходом 0,040-0,300 м³/т жидкой стали и интенсивностью 5-30 м³/ч в течение 30-70 мин, при этом металл раскисляли силикокальцием СК30 в количестве 7,2-7,4 кг кальция на плавку введением его в виде порошковой проволоки через трайбаппараты со скоростью отдачи проволоки 200-250 м/мин. После введения необходимых ферросплавов и лигатур сталь в ковше передавалась на вакууматор. Ковш с металлом устанавливали в камеру и начинали продувку азотом через пористые донные фурмы с интенсивностью 5-40 м³/ч. Далее надвигалась крышка вакууматора и создавалось давление менее 0,3 Торр. Длительность выдержки под вакуумом составляла 10-40 мин. После операции обработки вакуум снимался, дальнейшая продувка азотом через пористые донные фурмы проводилась с расходом 5-25 м³/ч продолжительностью от 5 до 25 минут, что обеспечивало концентрацию азота в стали не более 25 ppm и температуру металла в пределах 1515-1550°С, после чего ковш подавался на разливку. Разливку стали проводили на 4-х ручьевых МНЛЗ с сечением кристаллизатора 300×330 мм. Нагрев заготовок для прокатки проводили в печи с шагающими балками и непрерывнолитые заготовки прокатывали на рельсы типа Р65.

Заявляемый способ позволил повысить ударную вязкость термоупрочненных рельсов на 0,5 Дж/см², снизить содержание кислорода на 3 ppm, сократить длину строчки оксидных включений в среднем с 0,150 мм до 0,055 мм, уменьшить расход силикокальция на 0,2 кг/т и азотированных ферросплавов в среднем на 0,3 кг/т, снизить себестоимость выплавляемой стали на 40 руб/т.

Список источников, принятых во внимание при экспертизе

1. Патент РФ 2312902, кл. С21С 7/06.

2. Патент РФ № 2254380, кл. С21С 7/00, 5/52.

3. Патент РФ № 2235790, кл. С21С 5/52, 7/07.